專利名稱：數字投影機整球形球幕投影用超大視場角魚眼鏡頭結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于數字投影機整球形球幕投影用超大視場角魚眼鏡頭 結構，實現了數字魚眼投影鏡頭可以用一只鏡頭結合一臺數字投影機對近乎 整球的球幕進行完整畫面的投影，并保證一定的亮度和畫面的不失真。
背景技術：
魚眼鏡頭是所有光學鏡頭類別中非常特殊的一種， 一般用于120°到180° 視場環境的拍攝和投影。不同的應用領域，魚眼鏡頭的結構參數和應用環境 參數不同。魚眼鏡頭在電影行業首先出現，用來放映35mm及70mm膠片的 球幕(也稱穹幕)電影，從而引發了球幕電影的浪潮。
目前市場上的數字投影包括早期的傳統電影所采用的魚眼鏡頭的視場角 都是小于180度的，極個別情況出現視場角210度的，原因是在傳統電影行 業，球幕一般為半球形，為正投方式(觀眾和鏡頭在幕的同側)，所需魚眼 鏡頭的視場角也就不會太大，沒有用到超過210度視場角的魚眼鏡頭。而在 基于數字投影機的球幕投影方式中，由于數字圖像處理技術的進步、對素材 變形處理能力的提高、以及市場對多樣化新穎投影方式需求的不斷出現，促 進了數字球幕投影技術不斷提高和發展，對超半球幕乃至近乎完整球幕投影 方式的出現也就成為了必然。在對球幕更大區域進行投影的新投影方式中， 魚眼鏡頭的視場角問題便成為了決定這種投影方式成敗的關鍵因素。
數字投影機主要基于三種核心技術，即DLP (Digital Light Prosesing， 以DMD為耙面，反射式照明)、LCD (Liquid Crystal Display,透射式照 明)、D畫ILA (Direct-Drive Image Light Amplifier,以LCOS為耙面，反射 式照明)，采用的靶面數量為一個或三個，這些差異性直接導致數字投影機 構造上的不同，也直接造成了這些數字投影機的光學結構(合光/分光棱鏡 組厚度尺寸)的不同。在光學系統中，在投影鏡頭后面、像面(靶面)前的 合光/分光棱鏡組(TIR)光學厚度的差異，會給投影系統的整體像差帶來嚴 重影響，尤其是和色差相關的像差。所以，傳統球幕電影用魚眼鏡頭和數字 投影機用魚眼鏡頭在設計上有很大不同，表現在后工作距離的不同、工作波長不同、對像差處理方法的不同。
常規情況下，魚眼鏡頭的工作參數包括以下四個基本指標視場角、相 對孔徑、適應像高、光學后工作距離。這四個指標相互制約、相互關聯，對 像差起主導作用，加大任一指標都會直接影響其它三個指標。因此，在光學 設計過程中，魚眼鏡頭的視場角很難做到大于或超過210度。
現行使用中，用小視場角的鏡頭通過非等距離投射也可以充滿"超半 球"球幕，即當鏡頭的視場角小于180度時，要充滿更大面積的球面幕時， 必須使鏡頭偏離球心更大的距離，而此時，鏡頭出射的邊緣光線和球幕之間 形成的入射夾角就很小，造成的后果就是光照度的嚴重不均勻，此外，畫面 的變形量也將發生異常，嚴格說上述的方法并不科學。

發明內容
鑒于上述現有技術的狀況，本發明提供了基于數字投影機整球形球幕超 投影用超大視場角魚眼鏡頭結構，其依據魚眼鏡頭光學設計理論，從魚眼經 典光學結構出發，通過大量的數據優化和結構篩選，找到了可通用于絕大多 數數字投影機超大視場角魚眼投影鏡頭的一種結構形式，在此基礎上完成了 本發明。
為實現上述目的，本發明的技術方案，包括透鏡，其具有13個鏡片依 次排列的透鏡組成的9鏡組；其中，有兩個為雙膠合透鏡組；和一個三膠合 透鏡組。運用本結構形式設計出的鏡頭，由于有超大的視場角，可以實現單 臺數字投影機投射近似全球的球幕，并保證投影畫面的質量，尤其解決了全 球幕下半部分球幕畫面的亮度和畫面變形問題。
在本發明中，根據應用特點，所述前部依次排列的透鏡為負彎月型，其 凸面朝前；位于中前部依次排列的三膠合鏡組中的透鏡有兩個為雙凹型、其 中一個透鏡為雙凸型；中部的透鏡為負彎月型，其凸面朝前；和相鄰的透鏡 為正彎月型，其凸面朝前；和雙膠合鏡組中的一個透鏡為正彎月型，另一個 透鏡為副彎月型，其凹面均朝前；中后部的雙膠合鏡組中的一個透鏡為正彎 月型，另一個透鏡為負彎月型，其凹面均朝前；后部的一個透鏡為雙凸型。
在本發明中，根據應用的特點，所述的魚鏡頭具有250度~280度視場 角；靶面的像高為14.5mm~27mm/l_2英寸耙面；反遠比最大為12.6;相 對孔徑值在f/2.4~f/2.8;后工作距離在48mm 80mm。
在本發明中，根據應用的特點，所述的魚眼鏡頭，可安裝于DLP、 LCD、 D-ILA三種核心技術的單耙面和三耙面結構的數字投影機。
本發明所具有的積極效果是運用本結構形式設計出的鏡頭，由于有超 大的視場角，可以實現單臺數字投影機投射近似全球的球幕，并保證投影畫 面的質量，尤其解決了全球幕下半部分球幕畫面的亮度和畫面變形問題。具 有完全滿足基于不同核心技術的單耙面和三靶面結構的數字投影機在等距離 和非等距條件投影(球幕方式)使用，球幕直徑在1~8米，在嚴格等距離投 影情況下(鏡頭在球幕的球心點)可以覆蓋70%~78%的完整球面；在非等 距離投影情況下(鏡頭偏離球心R/6以內，R是球幕直徑)可以覆蓋近乎 90%的球面幕(剩余部分為安裝平臺預留)。可用于城市靚化工程、廣場廣 告宣傳、公司形象與產品展示、軍事訓練與指揮模擬、空間方位與全景分析 等領域。


圖l是本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖實施例，對本發明作進一步的詳細說明，僅用于解釋本 發明的實施例和所具有的有益效果，并非用于限制本發明的保護范圍。
由圖1所示，數字投影機整球形球幕超投影用超大視場角魚眼鏡頭結 構，具有9鏡組共13個鏡片。其設計結構是依次排列的透鏡1、 2、 3、 一 個三膠合鏡組的透鏡4》4-2、 4-3、透鏡5、 6、雙膠合鏡組的透鏡7n、 7-2、 雙膠合鏡組的透鏡8"、 8-2、 一個三膠合鏡組4。其中，透鏡1、 2、 3是負 彎月型透鏡，凸面章月前，起加大視場角的作用，鏡組4"、 4-2、 4-3是由三片 透鏡膠合而成的；其中透鏡4-,和4-3為雙凹透鏡、4-2雙凸透鏡；透鏡5是 負彎月透鏡，凸面朝前，透鏡6是正彎月透鏡，凸面朝前；雙膠合鏡組7由 正彎月透鏡7-,和副彎月透鏡7-2構成，其凹面均朝前；由正彎月透鏡8-,和 負彎月透鏡8-2組成雙膠合鏡組，其凹面均朝前；最后是鏡片9，為雙凸透 鏡，在整個鏡頭光學結構中，光欄位于鏡片6和鏡片7"之間。
在本發明中，根據應用的特點，所述的魚鏡頭具有250度 280度視場 角；靶面的像高為14.5mm 27mm/1—2英寸靶面；反遠比最大為12.6;相 對孔徑值在f/2.4~f/2.8;后工作距離在48mm 80mm。
在本發明中，根據應用的特點，所述的魚眼鏡頭，適用安裝于DLP、 LCD、 D-ILA三種核心技術的單耙面和三耙面結構的數字投影機。
為了說明本發明的實施例，根據本發明的結構基礎上設計而成的一款視 場角260度的魚眼鏡頭。該鏡頭基本參數如下焦距f' =4.7mm;相對孔
徑D/f' =1/2.4;全視場角2" =260° ;其反遠比L' /f' =12.6，其中
L'是光學后工作距離；光學長度L=249mm;鏡頭最大鏡片口徑O 280mm。所有口徑較大鏡片的材料為最常用光學材料，該結構容差性能良 好。
根據上述的具體實施例，因此可以看出完全滿足基于不同核心技術的單 靶面和三耙面結構的數字投影機在等距離和非等距條件投影(球幕方式)使 用，其球幕直徑在1 8米的范圍，在嚴格等距離投影情況下，鏡頭在球幕的 球心點可以覆蓋70%~78%的完整球面；在非等距離投影情況下(鏡頭偏離 球心R/6以內，R是球幕直徑)可以覆蓋近乎90%的球面幕，剩余部分為安 裝平臺預留。因此，魚眼鏡頭對透射型近乎完整球的球面幕進行背透使用， 觀眾位于球幕的外部觀看。
依據光學設計理論，本發明的魚眼鏡頭設計方法，是根據選擇一組魚眼 鏡頭結構，計算該結構的各種光學指標，挑選反遠比較大的結構作為設計基 礎結構，在此結構基礎上，重點處理光線在前組鏡片上各表面的入射及出射 角度，以及各表面的畸變貢獻值，盡量平衡出射及入射角度，留有可增加的 余地，獨立計算光欄前所有鏡片構成的前組光焦度和光欄后組的光焦度，并 計算光焦度比值3。此后，在鏡頭的最前面加入負彎月透鏡，同時考慮所加 入的鏡片的各視場光線高度，保證該片鏡片出射的光線高度和原選擇基礎結 構的入射高度及角度的匹配，同時要保證新加入鏡片畸變貢獻值在原第一鏡 片畸變貢獻值的0.8到1.2倍(絕對值)，再整體計算像差和參數，關注焦 距、后工作距、孔徑、及適應像高的變化情況，把這些值調整到設計目標 值。值得說明的是，加入的鏡片會改變鏡頭前組的光焦度，再按照之前計算 的前后組光焦度的比值e調整后組的光焦度，使光焦度的比值控制在原焦度比的p倍，照次方法可以在原光學系統中重復加入鏡片，直到視場角達到要 求為止，整個鏡頭的像差參數優化過程都是在專用光學設計軟件的支持下進 行。在優化過程中注意隨時更新和調整優化目標值。
權利要求
1、一種數字投影機整球形球幕超投影用超大視場角魚眼頭結構，包括透鏡，其特征是它具有依次排列的透鏡(1)、(2)、(3)、透鏡(4-1、4-2、4-3)、透鏡(5)、(6)、透鏡(7)、透鏡(8)和透鏡(9)組成的9鏡組；其中，透鏡(7)(包括7-1、7-2)和透鏡(8) (包括8-1、8-2)為兩個雙膠合組；透鏡(4)(包括4-1、4-2、4-3)為一個三膠合組。
2、 按權利要求1所述的魚眼鏡頭結構，其特征是所述的透鏡(1)、 (2) 、 (3)為負彎月型，其凸面朝前；三膠合組中的透鏡(4-。 、 (4-3)為雙凹型、透鏡(4-2)為雙凸型；透鏡(5)為負彎月型，其凸面朝前；透鏡 (6)為正彎月型，其凸面朝前；雙膠合組中的透鏡(7-。為正彎月型和透鏡 (7-2)為副彎月型，其凹面均朝前；雙膠合組中的透鏡(8-。為正彎月型和透鏡(8-2)為負彎月型，其凹面均朝前；透鏡(9)為雙凸型。
3、 按權利要求1所述的魚眼鏡頭結構，其特征是所述鏡頭具有250度 280度視場角；靶面的像高為14.5mm 27mm /1—2英寸靶面；反遠比最大 為12.6;相對孔徑值在f/2.4 f/2.8;后工作距離在48mm 80mm。
4、 按權利要求1所述的魚眼鏡頭結構，其特征是所述鏡頭安裝于 DLP、 LCD、 D-ILA三種核心的單靶面和三靶面結構的數字投影機。
全文摘要
數字投影機整球形球幕投影用超大視場角魚眼鏡頭結構，包括透鏡，具有13個鏡片依次排列的透鏡組成的9鏡組；其中有兩個為雙膠合透鏡組；和一個三膠合透鏡組。因有超大的視場角，可實現單臺數字投影機投射近似全球的球幕，保證投影畫面的質量，解決了全球幕下半部分球幕畫面的亮度和畫面變形問題。滿足不同核心技術的單靶面和三靶面結構的數字投影機，在等或非等距條件投影球幕的使用，球幕直徑在1～8米，嚴格等距離投影情況下鏡頭在球幕的球心點可以覆蓋70％～78％的完整球面；在非等距離投影情況下鏡頭偏離球心R/6以內，球幕直徑可以覆蓋近乎90％的球面幕。用于城市靚化工程、廣告宣傳、公司形象與產品展示、軍事訓練與指揮模擬、空間方位與全景分析等領域。
文檔編號G02B13/00GK101196608SQ200710185280
公開日2008年6月11日 申請日期2007年11月23日 優先權日2007年11月23日
發明者琛 陳 申請人:秦皇島視聽機械研究所